Développement d’un système de transmission axiale d’ondes guidées ultrasonores a basse fréquence pour la caractérisation des propriétés de l’os cortical dans le cadre du diagnostic de l’ostéoporose

Chaboty, Aubin (2025). Développement d’un système de transmission axiale d’ondes guidées ultrasonores a basse fréquence pour la caractérisation des propriétés de l’os cortical dans le cadre du diagnostic de l’ostéoporose. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’ostéoporose est une maladie osseuse dégénérative caractérisée pas une diminution de leur densité et une altération de leur architecture, ce qui augmente considérablement le risque de fracture. Pouvant survenir dans n’importe quelle région du corps, elle peut être détectée de manière précoce dans la région du radius dix ans avant le pic ostéoporotique dans d’autres régions plus sensibles, telles que la hanche ou la colonne vertébrale. Les ondes ultrasonores ont été étudiées depuis plusieurs décennies afin de caractériser les propriétés osseuses du squelette. La sensibilité des ultrasons aux propriétés mécaniques de leur milieu de propagation en fait une méthode particulièrement efficace pour évaluer les propriétés osseuses. La méthode de transmission axiale permet notamment de caractériser les os longs, tels que le radius. Les ultrasons permettent d’aller au-delà de la simple estimation de la densité, qui est actuellement utilisée par les méthodes conventionnelles à rayons X, telles que l’absorptiomètre biphotonique à rayons X, et qui est insuffisante pour une évaluation correcte du risque de fracture. L’utilisation de basses fréquences permet aux ondes ultrasonores de pénétrer en profondeur dans l’os et ainsi d’en déterminer des caractéristiques géométriques. De plus, l’ostéoporose affecte en premier lieu la région endoste ale, qui correspond à la partie interne de l’os. Par conséquent, les ondes ultrasonores à basse fréquence, lorsqu’elles sont employées dans un contexte de transmission axiale, offrent un potentiel prometteur pour un dépistage précoce et efficace de l’ostéoporose. En conséquence, l’objectif de ce projet est de concevoir un dispositif de détection ultrasonore portatif et transportable pour diagnostiquer l’ostéoporose. Pour y parvenir, une méthode semi-analytique, appelée ≪ semi-analtical iso-geometric analysis ≫(SAIGA), a été utilisée pour créer un modèle 2D représentant une plaque d’os cortical recouverte de tissus mous. Ce modèle paramétrique a servi à la création d’une base de données utilisée par un algorithme d’inversion afin de retrouver les propriétés correspondantes a des courbes de dispersion expérimentales. Cette méthode, appliquée dans un contexte de transmission axiale d’ondes guidées ultrasonores, a permis la détermination avec une grande précision des propriétés mécaniques et géométriques de deux plaques fantômes d’os cortical recouvertes de tissus mous. Elle a ensuite été appliquée à un modèle 2.5D quasi cylindrique. La détermination des propriétés de la couche corticale de deux cylindres fantômes remplis d’un matériau imitant les tissus mous a été effectuée selon deux scenarios : (1) les cylindres sont places dans un milieu libre, (2) les cylindres sont immergés dans de l’huile d’olive afin de simuler la présence de tissus mous autour de l’os. Les résultats ont démontré une fois de plus une bonne estimation des propriétés mécaniques et géométriques de la couche corticale dans les deux scenarios, malgré quelques erreurs relatives à la précision du modèle SAIGA. En parallèle de ces deux études, une sonde ultrasonore multiéléments a été développée pour la transmission d’ondes guidées dans les os corticaux longs du squelette appendiculaire (radius, tibia). Cette sonde s’intègre dans un système complet qui mènera au développement d’un outil de détection abordable, portable et facilement utilisable pour diagnostiquer l’ostéoporose en milieu clinique. Les composants ont été spécifiquement choisis pour permettre la transmission et la réception de basses fréquences d’ondes guidées dans un contexte de transmission axiale. Les résultats obtenus avec ce dispositif sur les plaques fantômes sont prometteurs et laissent croire que la sonde pourra être utilisée à terme après quelques modifications.

Titre traduit

Development of a low-frequency ultrasonic guided wave axial transmission system for cortical bone property characterization applied to osteoporosis diagnosis

Résumé traduit

Osteoporosis is a degenerative bone disease characterized by decreased bone density and a deterioration of the bone structure, significantly increasing the risk of fracture. It can affect any body region but may be detected early in the radius, up to ten years before reaching the osteoporotic peak in more critical areas like the hip or spine. Ultrasonic waves have been studied for several decades to characterize skeletal bone properties. Their sensitivity to the mechanical properties of their propagation medium makes them an especially effective method for evaluating bone properties. The axial transmission technique is particularly useful for characterizing long bones, such as the radius. Ultrasound offers advantages beyond the simple density estimation provided by conventional X-ray methods like DEXA, which is insufficient for accurately assessing fracture risk. Using low-frequency allows ultrasonic waves to penetrate deeply into the bone and reveal its geometry. Additionally, osteoporosis primarily affects the endosteal region, which is the inner part of the bone. Therefore, low-frequency ultrasonic waves used in the context of axial transmission present promising potential for early and effective osteoporosis screening. Consequently, this project aims to design a portable, transportable ultrasonic detection device for osteoporosis diagnosis. To achieve this, a semi-analytical method called SAIGA was used to create a 2D model representing a cortical bone plate covered with soft tissues. This parametric model was used to build a database employed by an inversion algorithm to determine properties corresponding to experimental dispersion curves. This method, applied in the context of axial transmission of ultrasonic guided waves, enabled the precise determination of the mechanical and geometrical properties of two cortical bone phantom plates covered with soft tissue. It was then applied to a quasi-cylindrical 2.5D model. The cortical layer properties of two bone phantoms filled with material mimicking soft tissue were determined under two scenarios : (1) cylinders placed in a free medium and (2) cylinders immersed in olive oil to simulate the presence of soft tissues around the bone. The results showed a good estimation of the cortical layer’s mechanical and geometrical properties in both scenarios, despite some minor errors related to the SAIGA model’s precision. In parallel with these studies, a multi-element ultrasonic probe was developed for the transmission of guided waves within the human body. This probe is part of a complete system that will lead to the development of an affordable, portable, and easy-to-use tool for diagnosing osteoporosis in clinical settings. The components were specifically selected to enable the transmission and reception of low-frequency guided waves in an axial transmission context. The results obtained with this device on phantom plates are promising and suggest that the probe could be used in the future with some modifications.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée a l’École de technologie supérieure comme exigence partielle a l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 151-163).
Mots-clés libres:	ultrasons, ondes guidées ultrasonores, basse fréquence, transmission axiale, os, ostéoporose, SAIGA, sonde multiélément, inversion
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bélanger, Pierre
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	27 mai 2025 13:51
Dernière modification:	27 mai 2025 13:51
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3612

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